DE202016106927U1

DE202016106927U1 - Durchsichtiges gekrümmtes Okular mit strukturiertem Optik-Kombinator

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Publication number: DE202016106927U1
Application number: DE202016106927.0U
Authority: DE
Original assignee: Google LLC
Current assignee: Google LLC
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2017-07-10
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: GB201620780D0; WO2017176323A9; EP3380885B1; GB201620788D0; GB2549159A; CN107272184A; US20170293144A1; EP3380885A1; US9946074B2; CN107272184B; WO2017176323A1; US20180252923A1; CN206741082U; US10754160B2; DE102016224853A1; GB2549159B

Abstract

Vorrichtung zur Verwendung mit einer am Kopf tragbaren Anzeige, wobei die Vorrichtung umfasst: ein gekrümmtes Okular zum Lenken von Anzeigelicht, das an einer Eingangsfläche empfangen wird, die peripher von einer Betrachtungsregion angeordnet ist und Anzeigelicht entlang einer augenwärtigen Richtung in der Betrachtungsregion emittiert, wobei das gekrümmte Okular umfasst: eine dem Auge zugewandte Fläche, die konkav ist; eine der Umwelt zugewandte Fläche, die konvex ist und der dem Auge zugewandten Fläche gegenüberliegt; ein zwischen den dem Auge zugewandten und der Umwelt zugewandten Flächen angeordneter gekrümmter Lichtwellenleiter, um das Anzeigelicht über interne Totalreflexionen von der Eingangsfläche zur Betrachtungsregion zu lenken; und einen Optik-Kombinator, der innerhalb des gekrümmten Okulars an der Betrachtungsregion angeordnet ist, um das Anzeigelicht zur augenwärtigen Richtung zum Ausgeben aus dem gekrümmten Lichtwellenleiter umzulenken, wobei der Optik-Kombinator eine Struktur von durch interstitielle Regionen getrennten reflektierenden Elementen umfasst, wobei die reflektierenden Elemente das Anzeigelicht reflektieren und die interstitiellen Regionen Umgebungslicht weitergeben, das durch die der Umwelt zugewandten Fläche einfällt, sodass die Betrachtungsregion teilweise durchsichtig ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft generell das Gebiet der Optik und insbesondere durchsichtige am Kopf tragbare Anzeigen.
INFORMATION ZUM STAND DER TECHNIK
Ein Head-Mounted-Display („HMD“) oder eine am Kopf tragbare Anzeige ist eine Anzeigevorrichtung, die auf oder über den Kopf getragen wird. HMDs beziehen gewöhnlich eine Art optisches System in der Nähe des Auges ein, um ein vergrößertes virtuelles Bild zu erzeugen, das ein paar Meter vor dem Benutzer angeordnet ist. Einaugenanzeigen werden als monokulare HMDs bezeichnet, während Zweiaugenanzeigen als binokulare HMDs bezeichnet werden. Einige HMDs zeigen nur ein Computerbild (Computer Generated Image; „CGI“) an, während andere Arten von HMDs fähig sind, ein CGI einer realen Ansicht zu überlagern. Diese letztere Art von HMD umfasst typischerweise eine Form von durchsichtigem Okular und kann als die Hardwareplattform dienen, um erweiterte Realität zu realisieren. Mit erweiterter Realität wird das Bild des Betrachters von der Umwelt mit einem darüberliegenden CGI erweitert, das auch als Heads-Up-Display („HUD“) bezeichnet wird.
HMDs weisen zahlreiche praktische und Freizeitanwendungen auf. Raumfahrtanwendungen erlauben einem Piloten, wichtige Flugsteuerungsinformationen zu sehen, ohne ihren Blick von der Flugroute abzuwenden. Öffentliche Sicherheitsanwendungen umfassen taktische Anzeigen von Karten und Wärmebildaufnahmen. Andere Anwendungsbereiche umfassen Videospiele, Beförderungsmittel und Telekommunikation. Bestimmt werden neue praktische Anwendungen und Freizeitanwendungen gefunden, während sich die Technologie entwickelt; viele dieser Anwendungen sind jedoch aufgrund der Kosten, der Größe, dem Gewicht, der Dicke, dem Sichtfeld, der Effizienz und der Bildqualität von konventionellen optischen Systemen, die verwendet werden, um existierende HMDs zu implementieren, begrenzt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nicht begrenzende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei gleiche Bezugsnummern gleiche Teile überall in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, sofern es nicht anders angegeben ist. Nicht alle Instanzen eines Elements sind zwangsläufig bezeichnet, um die Zeichnungen gegebenenfalls nicht zu überladen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstäblich, sondern die Betonung wurde stattdessen auf die Veranschaulichung der beschriebenen Prinzipien gelegt.
1 ist eine Querschnittsansicht eines optischen Systems zur Verwendung mit einer am Kopf tragbaren Anzeige gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
2 ist eine perspektivische Ansicht der am Kopf tragbaren Anzeige einschließlich eines gekrümmten Okulars gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
3 ist eine perspektivische Ansicht des gekrümmten Okulars und eines Anzeigefeldes gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
Die 4A, 4B und 4C veranschaulichen alle unterschiedliche perspektivische Ansichten von den ersten und zweiten Linsenkörpern, die sich gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung paaren, um das gekrümmte Okular zu bilden.
Die 5A, 5B, 5C und 5D veranschaulichen unterschiedliche Strukturen von reflektierenden Elementen, um gemäß Ausführungsformen der Offenbarung einen Optik-Kombinator innerhalb des gekrümmten Okulars zu implementieren.
6 stellt eine Durchbiegungsgleichung zusammen mit beispielhaften Koeffizienten bereit, um die Flächen eines demonstrativen gekrümmten Lichtwellenleiters gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung zu charakterisieren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen einer Vorrichtung, eines Systems und eines Betriebsverfahrens für ein gekrümmtes Okular mit einem strukturierten Optik-Kombinator werden hierin beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details angeführt, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen bereitzustellen. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass die hierin beschriebenen Techniken ohne ein oder mehrere von den spezifischen Details oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien usw. praktiziert werden können. In anderen Fällen sind wohlbekannte Strukturen, Materialien oder Vorgänge nicht dargestellt oder im Detail beschrieben, um das Verschleiern bestimmter Aspekte zu vermeiden.
Verweise in dieser Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder ein Charakteristikum, das/die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, zumindest in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet ist. Somit bezieht sich die Verwendung der Phrase „bei einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht unbedingt immer auf die gleiche Ausführungsform. Des Weiteren können die bestimmten Merkmale, Strukturen oder Charakteristiken in jeder geeigneten Weise bei einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
1 ist eine Querschnittsansicht eines optischen Systems 100 zur Verwendung mit einer am Kopf tragbaren Anzeige gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die veranschaulichte Ausführungsform des optischen Systems 100 umfasst ein Anzeigefeld 105, einen Polarisationsrotator 110, ein Prisma 115 und ein gekrümmtes Okular 120. Die veranschaulichte Ausführungsform des gekrümmten Okulars 120 umfasst einen ersten Linsenkörper 125, in dem ein gekrümmter Lichtwellenleiter 127 angeordnet ist, einen zweiten Linsenkörper 130, einen Optik-Kombinator 135, eine Eingangsfläche 140, eine konvexe der Umwelt zugewandte Fläche 145 und eine konkave dem Auge zugewandte Fläche 150.
Das optische System 100 ist zur Verwendung mit am Kopf tragbaren Anzeigen mit einer Konfiguration nah am Auge gut geeignet. Bei Integration in eine am Kopf tragbare Anzeige empfängt das gekrümmte Okular 120 Anzeigelicht 155, das durch das Anzeigefeld 105 erzeugt wird, durch eine Eingangsfläche 140, die sich peripher von einer Betrachtungsregion 160 befindet, und emittiert Anzeigelicht 155 entlang einer augenwärtigen Richtung in der Betrachtungsregion 160 zum Auge eines Benutzers 165 innerhalb eines Augenabstandsbereichs 170. Bei einer Ausführungsform wird Anzeigelicht 155 innerhalb des gekrümmten Lichtwellenleiters 127 durch Totalreflexion zwischen der Eingangsfläche 140 und dem Optik-Kombinator 135 geleitet. Bei anderen Ausführungsformen können winkelig selektive reflektierende Beschichtungen (z. B. mehrschichtige dichroitische Folienstapel) angewandt werden, um Reflexionen innerhalb des gekrümmten Lichtwellenleiters 127, der eine ausreichende Schrägstellung aufweist, während des Übertragens von annähernd senkrechten Winkeln zu fördern. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist das gekrümmte Okular 120 durchsichtig und ermöglicht dem Benutzer, Umgebungslicht zu sehen, das durch die der Umwelt zugewandten Fläche 145 einfällt.
Während des Betriebs erzeugt das Anzeigefeld 105 das Anzeigelicht 155, um ein Anzeigebild (z. B. Computerbild) zu bilden. Das Anzeigefeld 105 kann unter Verwendung von einer Vielzahl von Anzeigetechnologien einschließlich Flüssigkristall-(„LC“)-Anzeigen, Leuchtdioden-(„LED“)-Anzeigen, organische LED-(„OLED“)-Anzeigen, LC-auf-Silizium-(„LCoS“)-Anzeigen oder andere Mikroanzeigetechnologien implementiert werden.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform wird Anzeigelicht 155 optional durch einen Polarisationsrotator 110 gelenkt. Der Polarisationsrotator 110 ist derart ausgerichtet, dass er eine lineare Polarisierung des Anzeigelichts 155 mit einer Mittelachse des gekrümmten Lichtwellenleiters 127 ausrichtet, um Asymmetrien in der Doppelbrechung zu reduzieren. Die Mittelachse stellt eine Spiegelachse das Zentrum des gekrümmten Lichtwellenleiters 127 nach unten dar. Bei einer Ausführungsform ist der Polarisationsrotator 110 ein Halbwellenlängenplattenrotator mit einer Winkeldrehung β um einen Normalenvektor (Achse 106) von der Abstrahlfläche des Anzeigefeldes 105. Der Polarisationsrotator 110 kann bei Ausführungsformen verwendet werden, bei denen das Anzeigefeld 105 eine polarisierte Anzeige ist (z. B. LCoS, micro-LCD) ist.
Das Anzeigelicht 155 wird weiter vor dem Eintreten in den gekrümmten Lichtwellenleiter 127 durch das Prisma 115 gelenkt. Das Prisma 115 ist nahe an der Eingangsfläche 140 angeordnet, um das Anzeigelicht 155 bezüglich Farbquerfehlern vorzukompensieren, die sich aus Reflexionen (z. B. Totalreflexionen) innerhalb des gekrümmten Lichtwellenleiters 127 ergeben. Farbquerfehler sind für die Bildqualität schädlich, da sie verursachen, dass sich Farbkomponenten eines Farbbilds absondern oder seitlich absetzen. Das Prisma 115 ist konzipiert, diese chromatische Trennung vorzukompensieren.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind das Anzeigefeld 105 und Prisma 115 relativ zu dem gekrümmten Okular 120 derart ausgerichtet, dass Hauptstrahlen 175 des Anzeigelichts 155, die von den Pixeln des Anzeigefeldes 105 ausgegeben werden, durch den gekrümmten Lichtwellenleiter 127 geleitet und im Wesentlichen durch das Zentrum des Augenabstandsbereichs 170 gelenkt werden. Jedes Pixel des Anzeigefeldes 105 weist seinen eigenen Hauptstrahl auf, der idealerweise, der senkrechte Mittenstrahl ist, der aus dem gegebenen Anzeigepixel projiziert wird. Idealerweise ist das gekrümmte Okular 120 derart konzipiert, dass der Hauptstrahl von jedem Pixel ein Zentrum des Augenabstandsbereichs 170 passiert, wobei jeder Hauptstrahl das Zentrum aufgrund eines unterschiedlichen Ortes von jedem Pixel auf dem Anzeigefeld 105 in einem unterschiedlichen Winkel passiert. Eine Pixelposition auf dem Anzeigefeld 105 wird mit anderen Worten in einen Strahlwinkel am Augenabstandsbereich 170 übersetzt. Dieses ideale Szenarium stellt verbesserte Leuchtdichtegleichmäßigkeit über den Augenabstandsbereich 170 bereit. Das ideale Ziel kann jedoch in der Praxis nicht erreichbar sein. Dementsprechend definieren wir hierin den Hauptstrahl 175 eines gegebenen Pixels als einen Strahl, der vom Anzeigefeld 105 innerhalb eines Konus mit einem Bogen von drei Grad von der Senkrechten (wie gemessen, von einer Abstrahlfläche des Anzeigefeldes 105) für dieses gegebene Pixel emittiert wird. Dieser „Hauptstrahl“ ist für praktische Implementierungen nahe genug an der Senkrechten. Indem das Anzeigefeld 105 und das Prisma 115 relativ zu dem gekrümmten Lichtwellenleiter 127 ausgerichtet und der gekrümmte Lichtwellenleiter 127 mit geeigneten Geometrien konzipiert wird, wird das Anzeigebild als einen hohen Grad an gleichförmiger Leuchtdichte aufweisend wahrgenommen, wenn es vom Augenabstandsbereich 170 betrachtet wird, und wenn Hauptstrahlen 175 im Wesentlichen durch ein Zentrum des Augenabstandsbereichs 170 hindurchgehen. Die Einbindung des Prismas 115 erleichtert die Reduzierung der Größe der Eingangsfläche 140 zusammen mit der Kompensation von Farblängs- und Farbquerfehlern. Im Gegensatz dazu könnte das Prisma 115 weggelassen werden, indem das Anzeigefeld 105 zu einem relativ schieferen Winkel gegenüber der Fläche 140 geneigt wird; dies resultiert jedoch in einer größeren Eingangsfläche 140, welche die Endform des gekrümmten Okulars 120 nahe der Eingangsfläche 140 ändert und die Bildhelligkeit reduziert.
Während Anzeigelicht 155 durch den gekrümmten Lichtwellenleiter 127 von der Eingangsfläche 140 zur Betrachtungsregion 160 geleitet wird, vermittelt die Krümmung des gekrümmten Lichtwellenleiters 127 mit jeder Reflexion oder Lichtbrechung Lichtleistung. Das gekrümmte Okular 120 vermittelt Lichtbrechungsleistung an die Eingangsfläche 140 und bei der Emission von Anzeigelicht 155 aus der dem Auge zugewandten Fläche 150. Die veranschaulichte Ausführungsform des gekrümmten Okulars 120 vermittelt Lichtbrechungsleistung über vier Totalreflexioninteraktionen und eine Reflexion aus dem Optik-Kombinator 135 heraus. Die Lichtleistungsinteraktionen dienen gemeinsam dazu, das Anzeigebild zu vergrößern und das virtuelle Bild zu verschieben, sodass der Benutzer das Bild in einer Konfiguration nahe am Auge fokussieren kann. Es versteht sich jedoch, dass das gekrümmte Okular 120 mit einer anderen Anzahl an reflektierenden Abprallungen implementiert werden kann, um Anzeigelicht 155 von der peripheren Eingangsregion zum Optik-Kombinator 135 zu transportieren.
6 zeigt eine Durchbiegungsgleichung mit beispielhaften Koeffizientenwerten, die beispielhafte Krümmungen für die Flächen des gekrümmten Lichtwellenleiters 127 spezifizieren, die umfassen: die dem Auge zugewandte Fläche 150 (S1), die Optik-Kombinatorfläche 135 (S2), eine nach außen gerichtete Fläche (S3) und die Eingangsfläche 140 (S4). Die Oberflächen S1–S4 befinden sich alle auf dem Linsenkörper 125 und definieren den gekrümmten Lichtwellenleiter 127. 6 präsentiert ebenfalls beispielhafte Koordinaten, um die Flächen S1 bis S4 zu positionieren. Es können natürlich andere Krümmungen, flache Flächen und Koordinaten implementiert werden. Obwohl die veranschaulichten Ausführungsformen der Flächen S1 und S3 als Kugelflächen beschrieben sind, können bei anderen Ausführungsformen eine oder mehrere dieser Flächen als Freiformfläche, eine rotationssymmetrische Asphärenfläche, eine anamorphe Asphärenfläche, eine Toroidfläche, eine Zernike-Polynomfläche, eine radiale Basisfunktionsfläche, eine x-y-Polynomfläche, eine nicht-uniforme rationale B-Spline-Fläche oder anderweitig beschrieben sein.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist der Optik-Kombinator 135 unter Verwendung einer Struktur von reflektierenden Elementen, die durch interstitielle Regionen getrennt sind, implementiert. Die reflektierenden Elemente reflektieren das Anzeigelicht 155, während die interstitiellen Regionen Umgebungslicht 156, das durch die der Umwelt zugewandten Fläche 145 einfällt, passieren lassen, sodass die Betrachtungsregion 160 (und der Optik-Kombinator 135) teilweise durchsichtig sind. Bei einer Ausführungsform sind die interstitiellen Regionen Lücken zwischen angrenzenden reflektierenden Elementen.
Die 5A bis 5D veranschaulichen beispielhafte Strukturen von reflektierenden Elementen, die durch interstitielle Regionen getrennt sind. Die 5A bis 5D veranschaulichen beispielhafte Implementierungen für den Optik-Kombinator 135. 5A veranschaulicht eine beispielhafte Gitterstruktur 505 von reflektierenden Elementen 510, die durch die interstitielle Region 515 getrennt sind. In 5A sind die reflektierenden Elemente 510 rechteckig geformte Elemente. 5B veranschaulicht eine beispielhafte Gitterstruktur 520 von reflektierenden Elementen 525, die durch die interstitielle Region 530 getrennt sind. In 5B sind die reflektierenden Elemente 525 kreisförmige oder ellipsenförmige Elemente. 5C veranschaulicht eine beispielhafte Gitterstruktur 535 von reflektierenden Elementen 540, die durch die interstitielle Region 545 getrennt sind. In 5C sind die reflektierenden Elemente 540 hexagonal geformte Elemente. 5D veranschaulicht eine beispielhafte radiale Gitterstruktur 545 von reflektierenden Elementen 550, die durch die interstitielle Region 555 getrennt sind. In 5D sind reflektierende Elemente 550 kreisförmige oder ellipsenförmige Elemente. Es versteht sich, dass die reflektierenden Elemente mit anderen geometrischen Formen implementiert werden können und in andere Verbreitungsmuster angeordnet sein können. Die reflektierenden Elemente können beispielsweise eine Bezier-Form aufweisen oder das Verbreitungsmuster kann über eine Polynomialverteilung, ein Pseudozufallsverbreitungsmuster oder anderweitig beschrieben werden. Des Weiteren ist die Kombination aus Verbreitungsmuster und Elementform nicht auf die demonstrativen Kombinationen begrenzt, die in den 5A bis 5D veranschaulicht sind.
Bei einer Ausführungsform sind die reflektierenden Elemente als undurchsichtige Reflektoren implementiert. Ein beispielhafter undurchsichtiger Reflektor umfasst eine ausreichend dicke Schicht aus Metall (z. B. Aluminium, Silber usw.), die im Wesentlichen das gesamte sichtbare Licht reflektiert, das in eine Fläche eines gegebenen reflektierenden Elements einfällt. Es können andere undurchsichtige reflektierende Materialien verwendet werden. Bei anderen Ausführungsformen können die reflektierenden Elemente partielle Reflektoren oder Strahlenteiler sein (z. B. eine dünne Silberschicht, Mehrschichtdielektrikumdünnschicht usw.). Bei jeder Ausführungsform ist der Gesamtflächenbereichfüllfaktor der partiellen Reflektoren zu interstitiellen Elementen derart ausgewählt, dass der Optik-Kombinator 135 insgesamt lichtdurchlässiger als reflektierend ist. Bei einer Ausführungsform ist der Optik-Kombinator 135 insgesamt weniger als 30 % gegenüber einfallendem sichtbarem Licht reflektierend. Bei einer Ausführungsform, bei der die reflektierenden Elemente undurchsichtige Reflektoren sind, ist der Gesamtflächenbereichfüllfaktor der reflektierenden Elemente zu interstitiellen Regionen (z. B. Lücken) weniger als 30 % durch die reflektierenden Elemente abgedeckt, um ein gesamtes Reflexionsvermögen von weniger als 30 % zu erreichen. Dementsprechend kann durch Anpassen des Füllfaktors von reflektierenden Elementen das gesamte Reflexionsvermögen des Optik-Kombinators 135 angepasst werden. Bei einer Ausführungsform ist der Optik-Kombinator 135 insgesamt 15 % reflektierend und 85 % lichtdurchlässig. Es können natürlich andere Verhältnisse von reflektieren/lichtdurchlässig implementiert werden, um eine Betrachtungsregion 160 zu erreichen, die gegenüber dem Umgebungslicht 156, das durch die der Umwelt zugewandten Fläche 145 einfällt, teilweise lichtdurchlässig ist, sodass die Betrachtungsregion 160 durchsichtig ist.
Die individuellen reflektierenden Elemente des Optik-Kombinators 135 sind dimensioniert, um eine Beugung des Anzeigelichts 155 bei Reflexion zu verhindern. Dementsprechend sind der Flächenbereich und die Umfangsform der reflektierenden Elemente derart ausgewählt, dass sie eine Mindestgröße und Form aufweisen, die bei sichtbaren Wellenlängen im Wesentlichen keine Beugung induzieren. Die reflektierenden Elemente können einen Durchmesser oder eine Breite von größer als 100 µm (oder eine Fläche von größer als 7.850 µ^m2 aufweisen. Bei verschiedenen Ausführungsformen weisen die reflektierenden Elemente einen Durchmesser oder eine Breite auf, die im Bereich von 100 µm bis 500µm liegt. Es können natürlich andere dimensionale Größen verwendet werden (kleiner oder größer), solange die Strukturelementgröße nicht so klein ist, dass sie eine unangemessene Beugung in die Reflexion einführt (im Wesentlichen die Bildqualität unterminiert), und nicht so groß ist, dass sie sichtbare Okklusionen in das Umgebungslicht 156 einführt. Es ist jedoch beachtenswert, dass von Strukturgrößen von 500µm (z. B. 500µm Durchmesser oder Breite) erwartet wird, dass sie klein genug sind, sodass sie für den Benutzer bei einer Konfiguration nahe am Auge nicht sichtbar sind.
2 ist eine Veranschaulichung der perspektivischen Ansicht einer am Kopf tragbaren Anzeige 200, die gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung eine linke und rechte Instanz des optischen Systems 100 mit linken und rechten Instanzen des gekrümmten Okulars 120 einbezieht. Die gekrümmten Okulare 120 sind an einer Rahmeneinheit befestigt, die einen Nasensteg 205, einen linken Ohrbügel 210 und einen rechten Ohrbügel 215 umfasst. Die Innenhohlräume 220 und 225 innerhalb des linken Ohrbügels 210 und des rechten Ohrbügels 215 können verschiedene Elektronik enthalten einschließlich eines Mikroprozessors, Schnittstellen, eines oder mehrerer drahtloser Transceiver, einer Batterie, eines Lautsprechers, einer Steuerung usw. Bei einer Ausführungsform kann entweder der Nasensteg 205 oder die nach vorne gerichteten Ecken der Ohrbügel 210, 215 ein Kameramodul enthalten, um vorwärtsgerichtete Bilder der externen Szene oder nach hinten gerichtete Bilder von dem bzw. den Augen des Benutzers aufzunehmen. Obwohl 2 eine binokulare Ausführungsform veranschaulicht, kann die am Kopf tragbare Anzeige 200 auch als eine monokulare Anzeige mit nur einem gekrümmtem Okular 120, das mit nur einem einzelnen Benutzerauge ausgerichtet ist, wenn es getragen wird, implementiert werden.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind die gekrümmten Okulare 120 eingefasst, sodass sie der Form der Rahmeneinheit entsprechen, und sind in einer Brillenanordnung angebracht, sodass die am Kopf tragbare Anzeige 200 am Kopf von einem Benutzer getragen werden kann. Die linken und rechten Ohrbügel 210 und 215 ruhen über den Ohren des Benutzers, während der Nasensteg 205 über der Nase des Benutzers ruht. Die Rahmeneinheit ist derart geformt und dimensioniert, dass sie die Betrachtungsregionen 160 (einschließlich der Optik-Kombinatoren 135) vor den Augen des Benutzers positioniert. Bei einer Ausführungsform sind die Optik-Kombinatoren 135 relativ zu den Augen des Benutzers derart positioniert, dass der Benutzer geringfügig nach unten (z. B. 7 Grad) und nach rechts oder links (z. B. 15 Grad) sieht, um das Anzeigebild zu sehen. Es können andere Winkel implementiert werden und andere Rahmeneinheiten mit anderen Formen (z. B. ein einzelnes zusammenhängendes Headset-Element, ein Kopfhörerbügel, Schutzbrille usw.) verwendet werden. Die Optik-Kombinatoren 135 innerhalb der Betrachtungsregionen 160 lenken Anzeigelicht 155 zu jedem Auge um, während sie ermöglichen, dass Umgebungslicht 156 hindurchgeht, und dadurch den Benutzer mit einer erweiterten Ansicht der Wirklichkeit ausstatten.
3 ist eine perspektivische Ansicht des gekrümmten Okulars 120 und des Anzeigefeldes 105 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Wie veranschaulicht leitet der gekrümmte Lichtwellenleiter 127 Anzeigelicht 155, das vom Anzeigefeld 105 ausgegeben und von der Eingangsfläche 140 empfangen wird, zum Optik-Kombinator 135. 3 veranschaulicht weiter, wie das gekrümmte Okular 120 aus zwei Linsenkörpern 125 und 130 gebildet ist, die miteinander gepaart sind. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist der gekrümmte Lichtwellenleiter 127 vollständig innerhalb des Linsenkörpers 125 angeordnet, während der Linsenkörper 130 das gesamte Okular vervollständigt, um eine durchsichtige Linse ohne Verzerrung von Umgebungslicht 156 und ein makelloses Industriedesign bereitzustellen.
Die 4A, 4B und 4C veranschaulichen unterschiedliche auseinandergezogene Ansichten von Linsenkörpern 125 und 130, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die 4B und 4C veranschaulichen eine auseinandergezogene Ansicht von nur Linsenkörper 125 (jeweils von einem unterschiedlichen Winkel), während 4A eine auseinandergezogene Ansicht von nur Linsenkörper 130 veranschaulicht. Wie veranschaulicht, umfasst der Linsenkörper 130 einen dünnen Abschnitt 405, einen dicken Abschnitt 410 und eine Übergangsfläche 415, die am Übergang zwischen dem dünnen Abschnitt 405 und dem dicken Abschnitt 410 angeordnet ist. Ähnlich umfasst die veranschaulichte Ausführungsform des Linsenkörpers 125 einen dünnen Abschnitt 420, einen dicken Abschnitt 425 und eine Übergangsfläche 430, die am Übergang zwischen dem dünnen Abschnitt 420 und dem dicken Abschnitt 425 angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform ist der Linsenkörper 125 mit dem Linsenkörper 130 unter Verwendung eines klaren Klebstoffs mit einem Brechungsindex, der kleiner ist als der Brechungsindex der Linsenkörper 125 und 130, gepaart. Der klare Klebstoff mit niedrigem Index bildet eine Begrenzung der internen Totalreflexion („TIR“) zwischen den zwei Linsenkörpern 125 und 130, was eine innere Begrenzung des gekrümmten Lichtwellenleiters 127 innerhalb des dicken Abschnitts 425 des Linsenkörpers 125 definiert. Bei der veranschaulichten Ausführungsform kann der klare Klebstoff mit niedrigem Index auf die Fläche 416 (4A) und/oder die Fläche 417 (4B) aufgebracht werden, um die TIR-Begrenzung zu bilden. Natürlich kann der gleiche Klebstoff auch angewandt werden, um die anderen Grenzflächen zwischen Linsenkörper 125 und Linsenkörper 130 zu kleben. Andere Beschichtungen wie eine winkelsensitive mehrschichtige dichroitische Beschichtung können auch verwendet werden, um die innere reflektierende Begrenzung zu bilden.
Die Betrachtungsregion 160 des gekrümmten Lichtwellenleiters 127 ist durch den Optik-Kombinator 135 definiert, der an der Verbindung oder Schnittstelle zwischen den Übergangsflächen 415 und 430 angeordnet ist, wenn die Linsenkörper 130 und 125 miteinander gepaart sind. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Optik-Kombinator 135 auf eine oder beide von den Übergangsflächen 415 oder 430 gebildet werden. Wie veranschaulicht, muss der Optik-Kombinator 135 nicht das gesamte Ausmaß der Übergangsflächen 415 oder 430 abdecken, sondern kann vielmehr nur einen Abschnitt davon abdecken. Die reflektierenden Elemente des Optik-Kombinators 135 entsprechen der Krümmung der Übergangsflächen 415 und 430. Als solches führt diese Krümmung Lichtleistung in Reflexion zu Anzeigelicht 155 ein, während sie im Wesentlichen gegenüber dem Umgebungslicht 156 transparent ist, das die interstitiellen Regionen zwischen den reflektierenden Elementen passiert.
Das gekrümmte Okular 120 ist als ein dünnes gekrümmtes Okular mit einer Dicke von kleiner als 8 mm implementiert und ist bei einer Ausführungsform ungefähr 4,0 mm dick. Die Linsenkörper 125 und 130 können aus transparentem Kunststoff optischer Güte (z. B. Polykarbonat usw.) mit einem Brechungsindex von 1,64 gebildet sein. Je höher der Brechungsindex, desto dünner kann jedoch das gekrümmte Okular konzipiert werden. Ein direkter Vorteil des Verwendens von Material mit höherem Index besteht darin, den Winkel zu reduzieren, bei dem TIR auftritt. Dies ermöglicht effektiv Designs, die den Winkel des Ausgangskopplers reduzieren, was entweder die Größe des Augenabstandsbereichs für eine gegebene gekrümmte Lichtwellenleiterdicke erhöhen oder die gesamte Dicke des gekrümmten Okulars für eine gegebene Augenabstandsbereichgröße reduzieren kann. Das Verwenden von Material mit höherem Index für das gekrümmte Okular kann auch eine größere Flexibilität beim Brechungsindex der Klebstoffe von optischer Güte bereitstellen, die verwendet werden, um die Linsenkörper 125 und 130 aneinander zu kleben.
Die Krümmungen der dem Auge zugewandten Fläche 150 als auch der Umwelt zugewandten Fläche 145 können als Kalotten implementiert sein. Gemeinsam stellen die Krümmung und die schlanke Art des gekrümmten Okulars 120 ein wünschenswertes Industriedesign bereit. Das gekrümmte Okular 120 weist nicht nur ein wünschenswertes Industriedesign auf, sondern ist auch effizient, da der einzige verlustbehaftete Rückprall für das Anzeigelicht 155, das sich von der Eingangsfläche 140 zum Optik-Kombinator 135 bewegt, idealerweise die einzige Umlenkung durch den Optik-Kombinator 135 ist. Dies erlaubt, dass der Optik-Kombinator 135 und die Betrachtungsregion 160 im Wesentlichen lichtdurchlässiger sind als reflektierend, und dadurch die Durchsichtigkeitscharakteristik des gekrümmten Okulars 120 in der Betrachtungsregion 160 verbessert wird.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform stellt die der Umwelt zugewandten Fläche 145 eine komplementäre Krümmung bereit, um die Lichtleistung der Krümmung der dem Auge zugewandten Fläche 150 auszugleichen, die durch das Umgebungslicht 156 vorgefunden wird. Des Weiteren sind bei einer Ausführungsform die Linsenkörper 125 und 130 aus den gleichen Transparentmaterialien oder Transparentmaterialien mit im Wesentlichen dem gleichen Brechungsindex hergestellt. Daher arbeitet das gekrümmte Okular 120 als eine durchsichtige Anzeige, die Umgebungslicht 156 mit Anzeigelicht 155 kombiniert, das aus der Betrachtungsregion 160 entlang einer augenwärtigen Richtung in das Auge 165 gelenkt wird. Auf diese Weise ist das gekrümmte Okular 120 fähig, dem Auge 165 eine erweiterte Realität anzuzeigen; die kombinierten Krümmungen der der Umwelt zugewandten Fläche 145 und der dem Auge zugewandten Fläche 150 des gekrümmten Okulars 120 komplementieren sich jedoch und verleihen dem Umgebungslicht 156 gemeinsam keine Linsenleistung, während es durch das gekrümmte Okular 120 in die Betrachtungsregion 160 passiert. Bei anderen Ausführungsformen können die Krümmungen der der Umwelt zugewandten Fläche 145 und der dem Auge zugewandten Fläche 150 unausgeglichen sein, um dem Umgebungslicht 156 eine präskriptive Linsenwirkung zu verleihen.
Die vorstehende Beschreibung veranschaulichter Ausführungsformen der Erfindung, einschließlich dessen, was in der Zusammenfassung beschrieben ist, soll nicht vollständig sein oder die Erfindung auf die exakten Formen beschränken, die offenbart werden. Obwohl spezifische Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung hierin zur Veranschaulichung beschrieben sind, sind, wie der Fachmann erkennen wird, verschiedene Modifikationen innerhalb des Anwendungsbereichs der Erfindung möglich.
Diese Modifikationen können angesichts der vorstehenden ausführlichen Beschreibung an der Erfindung vorgenommen werden. Die in den folgenden Ansprüchen verwendeten Begriffe sollten nicht derart ausgelegt werden, dass sie die Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen beschränken, die in der Patentschrift offenbart sind. Es sollte vielmehr der Umfang der Erfindung vollständig durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden, die in Übereinstimmung mit etablierten Lehren der Anspruchsinterpretation auszulegen sind.

Claims

Vorrichtung zur Verwendung mit einer am Kopf tragbaren Anzeige, wobei die Vorrichtung umfasst: ein gekrümmtes Okular zum Lenken von Anzeigelicht, das an einer Eingangsfläche empfangen wird, die peripher von einer Betrachtungsregion angeordnet ist und Anzeigelicht entlang einer augenwärtigen Richtung in der Betrachtungsregion emittiert, wobei das gekrümmte Okular umfasst: eine dem Auge zugewandte Fläche, die konkav ist; eine der Umwelt zugewandte Fläche, die konvex ist und der dem Auge zugewandten Fläche gegenüberliegt; ein zwischen den dem Auge zugewandten und der Umwelt zugewandten Flächen angeordneter gekrümmter Lichtwellenleiter, um das Anzeigelicht über interne Totalreflexionen von der Eingangsfläche zur Betrachtungsregion zu lenken; und einen Optik-Kombinator, der innerhalb des gekrümmten Okulars an der Betrachtungsregion angeordnet ist, um das Anzeigelicht zur augenwärtigen Richtung zum Ausgeben aus dem gekrümmten Lichtwellenleiter umzulenken, wobei der Optik-Kombinator eine Struktur von durch interstitielle Regionen getrennten reflektierenden Elementen umfasst, wobei die reflektierenden Elemente das Anzeigelicht reflektieren und die interstitiellen Regionen Umgebungslicht weitergeben, das durch die der Umwelt zugewandten Fläche einfällt, sodass die Betrachtungsregion teilweise durchsichtig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die reflektierenden Elemente undurchsichtige Reflektoren sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das gekrümmte Okular weiter umfasst: einen ersten Linsenkörper, auf dem die Eingangsfläche angeordnet ist, und wobei sich der gekrümmte Lichtwellenleiter von der Eingangsfläche zu dem Optik-Kombinator erstreckt; und einen zweiten Linsenkörper, der mit dem ersten Linsenkörper gepaart ist, wobei der Optik-Kombinator entlang einer Grenzfläche zwischen den ersten und zweiten Linsenkörpern angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die interstitiellen Regionen Lücken auf der Grenzfläche zwischen den reflektierenden Elementen umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei ein Gesamtflächenbereichfüllfaktor der reflektierenden Elemente zu den Lücken um kleiner als 30 Prozent durch die reflektierenden Elemente abgedeckt ist, und wobei der Optik-Kombinator insgesamt mehr lichtdurchlässig als reflektierend ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Dichteverteilung der reflektierenden Elemente einen ansteigenden Füllfaktor zu mindestens einer Ecke oder zu mindestens dem Rand des Optik-Kombinators relativ zu einem Zentrum des Optik-Kombinators aufweist, um die Helligkeitseinheitlichkeit der durch den Optik-Kombinator reflektierten Anzeigebeleuchtung zu verbessern.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Linsenkörper einen ersten dicken Abschnitt, einen ersten dünnen Abschnitt und eine erste Übergangsfläche aufweist, die sich zwischen dem ersten dicken Abschnitt und dem ersten dünnen Abschnitt erstreckt, wobei der zweite Linsenkörper einen zweiten dicken Abschnitt, einen zweiten dünnen Abschnitt und eine zweite Übergangsfläche aufweist, die sich zwischen dem zweiten dicken Abschnitt und dem zweiten dünnen Abschnitt erstreckt, wobei der erste dicke Abschnitt mit dem zweiten dünnen Abschnitt gepaart ist und die erste Übergangsfläche mit der zweiten Übergangsfläche gepaart ist, und wobei der Optik-Kombinator zwischen den ersten und zweiten Übergangsflächen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die ersten und zweiten Übergangsflächen gekrümmte Oberflächen sind, wobei der gekrümmte Lichtwellenleiter innerhalb des ersten dicken Abschnitts angeordnet ist, und wobei ein klarer Klebstoff mit einem ersten Brechungsindex, der kleiner als ein zweiter Brechungsindex von den ersten und zweiten Linsenkörpern ist, den ersten dicken Abschnitt an den zweiten dünnen Abschnitt klebt, um eine Begrenzung der internen Totalreflexion zwischen den ersten und zweiten Linsenkörpern herzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Struktur eine von einer Gitterstruktur, einer Radialverteilungsstruktur oder einer Polynomialverteilungsstruktur umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die reflektierenden Elemente jeweils eine hexagonale Form aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die reflektierenden Elemente jeweils eine von einer Kreisform, einer Ellipsenform, einer Rechteckform oder einer Bezier-Form aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Flächenbereich von jedem der reflektierende Elemente ausreichend groß ist, um im Wesentlichen das Anzeigelicht nach der Reflexion nicht abzulenken, wobei das Anzeigelicht sichtbare Wellenlängen umfasst.
Am Kopf tragbare Anzeige, umfassend: ein Anzeigefeld, um Anzeigelicht an einer Randstellung zu erzeugen; ein gekrümmtes Okular zum Lenken des Anzeigelichts zu einer Betrachtungsregion, die zur Randstellung versetzt ist, und Emittieren des Anzeigelichts entlang einer augenwärtigen Richtung in der Betrachtungsregion, wobei das gekrümmte Okular-umfasst: eine dem Auge zugewandte Fläche, die konkav ist; eine der Umwelt zugewandte Fläche, die konvex ist und der dem Auge zugewandten Fläche gegenüberliegt; ein zwischen den dem Auge zugewandten und der Umwelt zugewandten Flächen angeordneter gekrümmter Lichtwellenleiter, um das Anzeigelicht über interne Totalreflexionen von der Eingangsfläche zur Betrachtungsregion zu lenken; und einen Optik-Kombinator, der innerhalb des gekrümmten Okulars an der Betrachtungsregion angeordnet ist, um das Anzeigelicht zur augenwärtigen Richtung zum Ausgeben aus dem gekrümmten Lichtwellenleiter umzulenken, wobei der Optik-Kombinator eine Struktur von durch interstitielle Regionen getrennten reflektierenden Elementen umfasst, wobei die reflektierenden Elemente das Anzeigelicht reflektieren und die interstitiellen Regionen Umgebungslicht weitergeben, das durch die der Umwelt zugewandten Fläche einfällt, sodass die Betrachtungsregion teilweise durchsichtig ist; und eine Rahmeneinheit zum Unterstützen des gekrümmten Okulars und des Anzeigefelds zum Tragen am Kopf eines Benutzers, wobei die Betrachtungsregion vor einem Auge des Benutzers positioniert ist.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 13, wobei die reflektierenden Elemente undurchsichtige Reflektoren sind, und wobei ein Gesamtflächenbereichfüllfaktor der undurchsichtigen Reflektoren zu interstitiellen Regionen um weniger als 30 Prozent durch die undurchsichtigen Reflektoren abgedeckt ist, und wobei der Optik-Kombinator insgesamt mehr lichtdurchlässig als reflektierend ist.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 13, wobei das gekrümmte Okular weiter umfasst: einen ersten Linsenkörper, auf dem die Eingangsfläche angeordnet ist, und wobei sich der gekrümmte Lichtwellenleiter von der Eingangsfläche zu dem Optik-Kombinator erstreckt; und einen zweiten Linsenkörper, der mit dem ersten Linsenkörper gepaart ist, wobei der Optik-Kombinator entlang einer Grenzfläche zwischen den ersten und zweiten Linsenkörpern angeordnet ist.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 15, wobei die interstitiellen Regionen Lücken auf der Grenzfläche zwischen den reflektierenden Elementen umfassen.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 15, wobei der erste Linsenkörper einen ersten dicken Abschnitt, einen ersten dünnen Abschnitt und eine erste Übergangsfläche aufweist, die sich zwischen dem ersten dicken Abschnitt und dem ersten dünnen Abschnitt erstreckt, wobei der zweite Linsenkörper einen zweiten dicken Abschnitt, einen zweiten dünnen Abschnitt und eine zweite Übergangsfläche aufweist, die sich zwischen dem zweiten dicken Abschnitt und dem zweiten dünnen Abschnitt erstreckt, wobei der erste dicke Abschnitt mit dem zweiten dünnen Abschnitt gepaart ist und die erste Übergangsfläche mit der zweiten Übergangsfläche gepaart ist, und wobei der Optik-Kombinator zwischen den ersten und zweiten Übergangsflächen angeordnet ist.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 17, wobei die ersten und zweiten Übergangsflächen gekrümmte Oberflächen sind, wobei der gekrümmte Lichtwellenleiter innerhalb des ersten dicken Abschnitts angeordnet ist, und wobei ein klarer Klebstoff mit einem ersten Brechungsindex, der kleiner als ein zweiter Brechungsindex von den ersten und zweiten Linsenkörpern ist, den ersten dicken Abschnitt an den zweiten dünnen Abschnitt klebt, um eine Begrenzung der internen Totalreflexion zwischen den ersten und zweiten Linsenkörpern herzustellen.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 13, wobei die reflektierenden Elemente jeweils eine von einer hexagonalen Form, einer Kreisform, einer Ellipsenform, einer Rechteckform oder einer Bezier-Form aufweisen.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 13, wobei ein Flächenbereich von jedem der reflektierenden Elemente ausreichend groß ist, um im Wesentlichen das Anzeigelicht nach der Reflexion nicht abzulenken, wobei das Anzeigelicht sichtbare Wellenlängen umfasst.